оптическое устройство в виде бинокулярной лупы с автоматическим фокусирующим устройством

Формула изобретения

1. Оптическое устройство в виде бинокулярной лупы с двумя системами (1) линз, содержащими каждая, по меньшей мере, один объектив (70) и один окуляр (71), с автоматическим фокусирующим устройством (4), которое изменяет фокусное расстояние систем (1) линз для их наводки на резкость в соответствии с расстоянием бинокулярной лупы от объекта, с устройством (15) для изменения коэффициента увеличения систем (1) линз, с устройством для компенсации параллакса между системами (1) линз оптического устройства в соответствии с фокусным расстоянием, установленным в соответствии с расстоянием бинокулярной лупы от объекта, и с регулируемыми оптическими элементами (11), расположенными по траектории (14) лучей оптического устройства, отличающееся тем, что предусмотренные по траектории (14) лучей оптического устройства оптические элементы (11), предназначенные для изменения угла (13) между проходящими из систем (1) линз к объекту траекториями (14) лучей при изменении фокусного расстояния для наводки на резкость систем (1) линз, установлены вдоль изогнутых траекторий с возможностью перемещения.

2. Оптическое устройство по п.1, отличающееся тем, что оптические элементы (11) установлены с возможностью перемещения поперек траектории лучей в системах линз.

3. Оптическое устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что оптическими элементами (11) являются линзы или группы линз.

4. Оптическое устройство по одному из пп.1 и 2, отличающееся тем, что оптическими элементами (11) являются призмы или группы призм.

5. Оптическое устройство по одному из пп.1-4, отличающееся тем, что системы (51,53) линз установлены соответственно каждая в одном тубусе (1).

6. Оптическое устройство по одному из пп.1-4, отличающееся тем, что системы (51,53) линз установлены в общем тубусе (50).

7. Оптическое устройство по п.6, отличающееся тем, что системы (51,53) линз закрыты крышкой (53), установленной рядом с объективом (70) или окуляром (73).

8. Оптическое устройство по одному из пп.5 и 6, отличающееся тем, что оптические элементы (11) установлены внутри тубуса (50) или внутри тубусов (1).

9. Оптическое устройство по одному из пп.1-8, отличающееся тем, что оптические элементы (11) установлены за объективом.

10. Оптическое устройство по одному из пп.1-9, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью размещения информации в виде изображений и/или текста в плоскости промежуточного изображения (16), расположенной, по меньшей мере, в одной из оптических систем.

11. Оптическое устройство по одному из пп.1-10, отличающееся тем, что рядом, по меньшей мере, с одним из двух окуляров (2) расположены дисплеи (18) для индикации информации в виде изображений и/или текста.

12. Оптическое устройство по одному из пп.1-11, отличающееся тем, что с оптическим устройством соединен индикатор (18), например дисплей, на который могут быть переданы изображения, полученные оптическим устройством.

13. Оптическое устройство по п.12, отличающееся тем, что индикатор (18) установлен вне оптического устройства.

14. Оптическое устройство по п.12 или 13, отличающееся тем, что полученные оптическим прибором изображения с помощью оптического элемента, например светоделителя, или системы отведения света зеркалом могут быть переданы на индикатор (18) из, по меньшей мере, одной из двух траекторий лучей оптического устройства.

15. Оптическое устройство по одному из пп.10 и 11, отличающееся тем, что содержащие информацию изображения или тексты могут быть введены стереоскопически в обе траектории лучей тубусов (1).

16. Оптическое устройство по одному из пп.10 и 11, отличающееся тем, что изображения или части текста могут быть высвечены как отдельные изображения, скорректированные расстоянием между глазами и параллаксом.

17. Оптическое устройство по одному из пп.10,11 и 16, отличающееся тем, что высвеченная информация может быть выбрана посредством изменения угла зрения оптического устройства относительно наблюдаемого объекта.

18. Оптическое устройство по одному из пп.1-17, отличающееся тем, что оптическому устройству приданы в соответствие измерительные приборы и/или чувствительные элементы, такие, как оптические или электромагнитные системы определения положения, или инерционные датчики, такие, как измерители ускорения или датчики угловой скорости.

19. Оптическое устройство по одному из пп.11-18, отличающееся тем, что в качестве информации точно по положению может быть высвечена анатомическая функциональная и техническая информация, такая, как данные изображения, ЭКГ.

20. Оптическое устройство по одному из пп.1-19, отличающееся тем, что данные интерактивного определения положения медицинских приборов и/или инструментов могут быть высвечены относительно пациента.

21. Оптическое устройство по одному из пп.1-20, отличающееся тем, что изображения, высвеченные по траектории лучей, по меньшей мере, одной системы линз или в установленных около окуляров (2,71) дисплеях (18), могут быть отображены и зафиксированы как полные или частичные изображения.

22. Оптическое устройство по одному из пп.1-21, отличающееся тем, что в плоскости (16) промежуточного изображения объектива отображена измерительная шкала.

23. Оптическое устройство по п.22, отличающееся тем, что измерительная шкала выбрана в соответствии с установленным фокусным расстоянием и увеличением объектива.

24. Оптическое устройство по одному из пп.1-23, отличающееся тем, что изменение фокусного расстояния и/или коэффициента увеличения управляется посредством речевого управления.

25. Оптическое устройство по одному из пп.1-24, отличающееся тем, что на оптическом устройстве установлен источник света, апертурный угол которого согласован с соответствующим увеличением оптического устройства таким образом, что величина освещенного поля соответствует полю зрения оптического устройства.

26. Оптическое устройство по п.25, отличающееся тем, что источник света представляет собой источник света, питаемый через пучок оптических волокон (20) из внешнего источника (29) света.

27. Оптическое устройство по п.25 или 26, отличающееся тем, что апертурный угол источника света и интенсивность выходящего излучения можно изменять системой линз, установленной в тубусах или на источнике света, и/или затвором.

28. Оптическое устройство по одному из пп.25-27, отличающееся тем, что свет из источника (19) света подается через светоделитель (21) или поверхность призмы оборачивающей системы (21) и выходит через оптическую систему оптического устройства к объекту.

29. Оптическое устройство по одному из пп.1-28, отличающееся тем, что расстояние между объективами (70) системы линз при постоянном расстоянии между окулярами (2) можно изменять.

30. Оптическое устройство по п.29, отличающееся тем, что расстояние между объективами (70) обеспечивается с помощью регулируемого по длине соединения (17) между тубусами, в которых установлены системы линз, при постоянном соединении (17) между окулярами (2) систем линз.

31. Оптическое устройство по п.30, отличающееся тем, что расстояние между объективами (70) может быть изменено параллельной установкой тубусов (1), а окуляры (2) на тубусах (1) могут перемещаться одинаково относительно друг друга.

32. Оптическое устройство по одному из пп.1-31, отличающееся тем, что окуляры (2) выполнены в виде сменных окуляров и/или объективы (70) в виде сменных объективов.

33. Оптическое устройство по одному из пп.1-32, отличающееся тем, что в оптическом устройстве предусмотрено, по меньшей мере, одно устройство для регистрации положения зрачков пользователя, соединенное с автоматическим фокусирующим устройством, и что расстояние (А) между оптическим устройством и объектом для приведения в действие автоматического фокусирующего устройства регистрируется в угле зрения, который задается положением зрачков.

34. Оптическое устройство по одному из пп.1-33, отличающееся тем, что, по меньшей мере, в одной из двух систем линз предусмотрены фильтры (28).

35. Оптическое устройство по п.34, отличающееся тем, что фильтры (28) можно перемещать в их рабочее положение и из их рабочего положения.

36. Оптическое устройство по одному из пп.1-35, отличающееся тем, что, по меньшей мере, в одной системе линз на объект (30) направлен выходящий из лазерного устройства лазерный луч, введенный при необходимости в траекторию лучей системы линз.

37. Оптическое устройство по п.36, отличающееся тем, что ввод лазерного луча в плоскости промежуточного изображения снабжен штриховой отметкой так, что в поле объекта может быть показан диаметр и положение лазерного луча.

38. Оптическое устройство по одному из пп.1-37, отличающееся тем, что оптическое устройство установлено на головном держателе (34).

39. Оптическое устройство по п.38, отличающееся тем, что на головном держателе (34) предусмотрена изменяемая по длине растягиваемая распорка (35), проходящая от лба к затылку.

40. Оптическое устройство по п.38 или 39, отличающееся тем, что на головном держателе (34) при необходимости установлен регулируемый, по меньшей мере, один противовес, полностью или частично выравнивающий вес оптического устройства.

41. Оптическое устройство по одному из пп.1-40, отличающееся тем, что для траекторий лучей через системы линз предусмотрено устройство стабилизации линии зрения.

42. Оптическое устройство по п.41, отличающееся тем, что устройство стабилизации поля зрения выполнено в виде пассивного или активного устройства гашения вибраций.

43. Оптическое устройство по одному из пп.38-42, отличающееся тем, что на головном держателе (34) для оптического устройства установлены электроды, регистрирующие токи головного мозга, и что электроды соединены с устройством управления, которое управляет функциями оптического устройства.

44. Оптическое устройство по п.43, отличающееся тем, что устройство управления соединено с внешними устройствами, например, роботами.

45. Оптическое устройство по п.44, отличающееся тем, что соединение осуществляется по проводной связи или инфракрасными лучами.

46. Оптическое устройство по одному из пп.1-45, отличающееся тем, что на головном держателе (34) установлены биодатчики, электроэнцефалографические датчики (EEG-датчики) и/или датчики измерения сопротивления кожи для сбора информации о жизненных показаниях пользователя оптического устройства.

47. Оптическое устройство по одному из пп.1-46, отличающееся тем, что на окулярах (2) оптического устройства установлены держатели для оптических принадлежностей, например стекол очков.

48. Оптическое устройство по п.47, отличающееся тем, что оптические принадлежности установлены на держателе около окуляров.

49. Оптическое устройство по одному из пп.1-45, отличающееся тем, что системы линз обеих траекторий лучей размещены в общем тубусе.

50. Оптическое устройство по одному из пп.1-49, отличающееся тем, что на приемном блоке (6) автоматического фокусирующего устройства (4) предусмотрено устройство (45, 46, 47), которое пропускает исключительно отраженные от поля (30) объекта инфракрасные сигналы (44).

51. Оптическое устройство по п.50, отличающееся тем, что указанное устройство представляет собой фильтр (45).

52. Оптическое устройство по п.51, отличающееся тем, что указанный фильтр представляет собой поляризационный фильтр (45).

53. Оптическое устройство по п.50, отличающееся тем, что устройство представляет собой тубус (47, 65), установленный на приемном блоке (6) автоматического фокусирующего устройства (4) и направленный на поле объекта.

54. Оптическое устройство по п.50, отличающееся тем, что устройство представляет собой установленную на приемном блоке (6) автоматического фокусирующего устройства (4) пластинчатую (63) или решетчатую (46) насадку.

55. Оптическое устройство по п.54, отличающееся тем, что пластинчатая (63) или решетчатая (46) насадка представляет собой направленную прямо пластинчатую (63) или решетчатую (46) насадку.

56. Оптическое устройство по п.54, отличающееся тем, что пластинчатая (63) или решетчатая (46) насадка представляет собой направленную под углом пластинчатую (63) или решетчатую (46) насадку.

57. Оптическое устройство по одному из пп.1-56, отличающееся тем, что по траектории лучей, по меньшей мере, одной системы (51, 53) линз установлен прозрачный дисплей (74) и что из главного дисплея (75) по светоделителю (80) вводятся виртуальные показания в траекторию лучей системы линз.

58. Оптическое устройство по п.57, отличающееся тем, что светоделитель (80) представляет собой призму, в частности порропризму, или полупрозрачное зеркало.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к оптическому устройству с признаками ограничительной части пункта 1 с автоматическим фокусирующим устройством, устройством для изменения фокусного расстояния и с устройством для согласования параллакса между тубусами оптического устройства с установленным фокусным расстоянием.

Такое оптическое устройство (бинокулярная лупа) с автоматическим фокусирующим устройством, с устройством для изменения фокусного расстояния и с устройством для согласования параллакса между тубусами оптического устройства с установленным фокусным расстоянием известно из WO 96/09566 А (или из по существу одинакового по содержанию US 5971540 А). Известное оптическое устройство предназначено для применения в качестве бинокулярной лупы.

Известная бинокулярная лупа имеет автоматическое и/или ручное фокусирующее устройство, устройство для ручного изменения коэффициента увеличения, а также устройство для соответствующей фокусному расстоянию, автоматической, механической компенсации параллакса. Если, например, во время хирургического вмешательства на сосудах вследствие положения различных мест операции необходимо изменение рабочего расстояния, то фокусное расстояние и параллактический угол согласуются автоматически или вручную с новым рабочим расстоянием. Благодаря этому обеспечивается соответствующая проведенному вмешательству оптимальная установка оптического устройства. Кроме того, пользователь оптического устройства может занять самое выгодное эргономическое положение так, что возможна неутомительная операция. Кроме того, известное оптическое устройство предоставляет возможность согласовать коэффициент увеличения на каждом выбранном рабочем расстоянии с соответствующим требованием. Известное оптическое устройство, носимое с помощью держателя на голове ("Headset"), позволяет пользователю свободно выбирать рабочее расстояние и применяемый коэффициент увеличения. В качестве устройства управления служит педальный выключатель. Для того, чтобы при изменяющемся рабочем расстоянии и установке на резкость не потерять трехмерное изображение, в известном оптическом устройстве применяется автоматическое фокусирующее устройство, которое посредством механического изменения угла тубусов оптического устройства относительно друг друга согласовывает параллактический угол с соответствующим фокусным расстоянием. Такой способ согласования параллакса с установленным фокусным расстоянием имеет много недостатков:

(1) Перестановка тубусов производится механическим путем электродвигателями через передачу, что означает относительно большой вес и тем самым уменьшение удобства ношения пользователем.

(2) Так как тубусы оптического устройства должны выполняться подвижными относительно друг друга по продольной оси, уменьшается износостойкость системы от механической нагрузки.

(3) При изменении рабочего расстояния устройство компенсации параллакса изменяет положение тубусов относительно друг друга и тем самым также угол плоскости окуляров относительно глаз пользователя. Это может приводить к мешающим явлениям отражения и к уменьшению входного зрачка и тем самым поля зрения.

(4) На практике с таким видом компенсации параллакса почти невозможно изготовить независимые от пользователя системы, то есть, каждая система подгоняется для определенного пользователя и его дистального расстояния между зрачками. Это требует больших капиталовложений, если, например, больницы хотят обеспечить, чтобы все операции могли проводиться с бинокулярными лупами с автофокусом.

(5) Если на окулярах устанавливаются выступающие за них корректирующие линзы, то при изменении положения тубусов они могут при известных обстоятельствах касаться лица пользователя и тем самым отвлекать его.

Кроме того, для пользователей, например, в хирургии очень часто выгодно при использовании такого оптического устройства изучить дополнительную информацию, например, жизненные показатели пациента из системы мониторинга, измерительных шкал или также рентгенографические данные, данные компьютерной томографии или другие данные. Известные в настоящее время бинокулярные лупы не предоставляют такую возможность.

Похожие бинокулярные лупы известны из AT E 98782 В. Из US 5078469 А известны бинокулярные лупы, с которыми соединена видеокамера и блок индикации для передачи записей операционного поля.

WO 95/25979 А раскрывает операционный микроскоп, имеющий устройства для получения и отображения трехмерных видеоданных операционного поля, а также для включения дополнительной информации, например, данных о пациенте.

US 4621283 А описывает прибор, носимый на голове хирурга, с бинокулярными лупами и передающую камеру, а также с источником света, причем передающая камера и источник света от поворотного зеркала независимо от того обстоятельства, что они находятся на голове на расстоянии, имеют направление взгляда, по существу параллельное направлению взгляда через очки с линзами перед глазами хирурга, поэтому видимое хирургом поле зрения может быть передано по существу под тем же самым углом зрения через приемное устройство на экран.

US 5486948 А показывает устройство для создания стереоскопического изображения с двумя записывающими изображение системами. Этими записывающими изображение системами могут быть телевизионные камеры. В ходе лучей каждой из двух телевизионных камер установлены две клиновидные призмы, вращающиеся в противоположных направлениях для того, чтобы при изменяющемся расстоянии от объекта отклонять луч света синхронно с фокусировкой телевизионной камеры. Тем самым устройство должно быть точно настроено на объект без самостоятельного вращения телевизионных камер.

US 4779965 А предлагает придать линзам объектива полевого бинокля эксцентрично положительные биноклю ахроматы для того, чтобы посредством поворота этих ахроматов добиться, чтобы при использовании полевого бинокля в качестве микроскопа одновременно видеть производимые обеими оптическими системами полевого бинокля изображения и получать стереоскопическое изображение.

JP 07152096 А предлагает систему съемки изображения с несколькими линзами, причем к системам линз перед линзами объектива соответственно относится пара зеркал таким образом, что параллактический угол может быть изменен без перемещения пары линз путем поворота и перемещения зеркала каждой пары зеркал.

В основе изобретения лежит задача предоставить в распоряжение оптическое устройство, носимое на голове и позволяющее пользователю изменять рабочее расстояние и применять разные коэффициенты увеличения, пригодные для соответствующей работы. Кроме того, должно оставаться стереоскопическое изображение без необходимости изменения положения обоих тубусов оптического устройства, как это имеет место в оптическом устройстве, известном из WO 96/09566. Кроме того, пользователь должен иметь возможность наблюдения дополнительной информации в виде текста или изображения, поступающей от внешних источников данных, и устранять возможные случаи аметропии путем соответствующих установок окуляров оптического устройства.

Кроме того, стереоскопическое изображение должно сохраняться без необходимости изменения положения обоих тубусов оптического устройства относительно друг друга, как это имеет место в оптическом приборе из WO 96/09566. Кроме того, пользователь должен иметь возможность наблюдения дополнительной информации в виде текста или изображения, поступающей от внешних источников данных, и устранять возможные случаи аметропии путем соответствующих установок окуляров оптического устройства.

Данная задача решается в соответствии с изобретением с помощью оптического устройства, которое отличается тем, что с помощью предусмотренных в ходе лучей оптического устройства перемещаемых оптических элементов можно изменять угол между ходами лучей, проходящими из тубусов к объекту.

Предпочтительные и обладающие преимуществом варианты выполнения оптического устройства в соответствии с изобретением являются предметом зависимых пунктов.

Оптическое устройство в соответствии с изобретением представляет собой совершенно новое применение и соответственно класс изделия. Оно отличается, с одной стороны, от бинокулярных луп или операционных микроскопов, в основном тем, что благодаря признакам автоматического фокусирования, оптической компенсации параллакса и варьируемому фокусному расстоянию возможна никогда неизвестная полностью свободная мобильность при использовании. Оптическое устройство в соответствии с изобретением отличается от операционных микроскопов прежде всего тем, что его можно носить на голове пользователя с помощью держателя для головы.

Оптическое устройство в соответствии с изобретением применимо не только при операциях на теле человека или животных, но и везде там, где пользователь должен видеть поле работы увеличенным.

Изобретение предоставляет в распоряжение легкое, устойчивое и комфортное стереоскопическое оптическое устройство с изменяемым коэффициентом увеличения, автоматической фокусировкой и автоматической компенсацией параллакса и с возможностью компенсации аметропии, причем угол тубусов оптического устройства не нужно изменять. Этот признак позволяет также такую конструктивную форму оптического устройства, что оба хода лучей могут проходить в единственном, предпочтительно овальном тубусе. Кроме того, пользователю можно предоставить визуальную дополнительную информацию.

В предпочтительных вариантах выполнения оптический прибор в соответствии с изобретением предоставляет, по меньшей мере, одну из нижеуказанных возможностей.

При использовании оптического устройства в соответствии с изобретением при операции рабочее расстояние хирурга, использующего оптическое устройство согласно изобретению, можно изменять - например, чтобы дать ассистенту лучший обзор в область операции - без изменения коэффициента увеличения.

Кроме того, объекты, например, опухоль, могут подвергаться точному анализу размеров, не проводя адаптации к коэффициенту увеличения.

Во время операции зачастую происходит пересечение хода лучей между объективом и операционным полем, что в известных бинокулярных лупах приводит к нежелательной адаптации фокусного расстояния на пересекающий предмет с последующей за этим реадаптацией на первоначальное поле зрения устройством автоматического фокусирования. В изобретении это может не допускаться благодаря тому, что устройство автоматического изменения фокусного расстояния снабжено выключателем замедленного действия и поэтому изменение рабочего расстояния только после некоторого устанавливаемого времени и/или с выбираемой скоростью приводит к фокусному расстоянию, оптимизированному с новым рабочим расстоянием. Следовательно, время реакции блока автоматического фокусирования может быть согласовано с определенной ситуацией или личным стилем работы.

В частности, при хирургическом обучении вариант выполнения изобретения позволяет наблюдающим студентам следить за операцией точно в такой перспективе, которую предлагает хирург.

Специально при операциях в полостях тела зачастую возникает проблема оптимального освещения; потолочный светильник зачастую трудно привести в подходящее положение, встроенный в держатель на голове источник света неизбежно имеет параллактический угол к оптимальному ходу лучей между объективом и полем зрения, что особенно в полостях тела с малым диаметром приводит к нежелательному образованию глубокой тени. Для ассистентов может быть также целесообразным увидеть точное поле зрения оперирующего для того, чтобы направить их внимание на него.

Возможно также применение изобретения, при котором используются автофлуоресцентные свойства тканей. Для этого может быть применен комбинированный с оптическим устройством в соответствии с изобретением ультрафиолетовый/инфракрасный или лазерный источник света без применения различных систем фильтрации и преобразования частоты.

Есть также ситуации применения, когда было бы выгодно усиленное трехмерное впечатление. Изобретение достигает этого в варианте выполнения посредством устройства для увеличения расстояния от объективов.

Нередко пользователь оптического устройства в соответствии с изобретением для того, чтобы во время операции хорошо ориентироваться, смотрит мимо имеющейся перед глазами бинокулярной лупы. При имеющейся аметропии это можно практиковать только тогда, когда на окулярах бинокулярной лупы установлены корректирующие линзы. Эти корректирующие линзы во избежание снижения оптического качества при изменении параллактического угла осуществляют в варианте выполнения изобретения адаптацию параллакса при изменении фокусного расстояния бинокулярной лупы.

Аметропия, которую невозможно корректировать посредством установленного на окулярах устройства диоптрийной компенсации при использовании известного из WO 96/09566 оптического устройства, проблематична и в варианте выполнения настоящего изобретения устраняется закрепленными на окулярах корректирующими линзами.

При многих возможностях применения также выгодны предпочтительно предусмотренные в соответствии с изобретением, легко очищаемые, абсорбирующие, отражающие или фильтрующие защитные стекла, а также стекла для совмещения с помощью зеркала непосредственно в поле зрения информации, например, параметров операции, или рядом с ним.

Для точного определения размеров объектов в изобретении можно ввести в плоскость между изображениями измерительную шкалу, выполненную в виде жидкокристаллического индикатора, светодиода, вакуумного флюоресцентного индикатора или газоразрядного индикатора или в другом виде.

Кроме того, в примере выполнения можно посредством частичного отведения части хода лучей на модуль камеры САПР создать желательную, например, при хирургическом обучении, возможность наблюдать ход операции на мониторе.

Предпочтительно предусмотренный источник света, встроенный в оптическую систему или выполненный в виде пучка волокон с изменяемой апертурой, существенно улучшает свойства освещения при использовании данного варианта выполнения оптического устройства согласно изобретению по сравнению с известными оптическими устройствами. Ввод света осуществляется предпочтительно через светорасщепляющую систему или в плоскость оборачивающей системы из призм. Источник света может излучать для наблюдения ультрафиолетовое/инфракрасное или лазерное излучение. Отражаемый от объекта свет может абсорбироваться или отражаться фильтром в окулярах. Применение инфракрасного, ультрафиолетового или лазерного излучения может иметь большое значение в диагностике.

Согласно изобретению можно добиться компенсации параллакса при изменениях фокусного расстояния без изменения расстояний между тубусами или окулярами, когда, например, установленный в центральной части оптического устройства электродвигатель с помощью соответствующих канатных тяг или передачи перемещает соответствующий объектив или его часть (передний элемент) с кулачковым управлением, одновременно сбоку и/или по оси и при необходимости опрокидывает. С помощью осевого перемещения может осуществляться фокусировка (изменение фокусного расстояния) на различные расстояния. При основной установке оптического устройства (оптическая ось перемещаемого объектива или части объектива находится на оптической оси Vario-продолжения), установка расстояния и углы конвергенции выставлены предпочтительно на среднее рабочее расстояние так, что оптические оси окуляров проходят через оптические центры глаз. При изменении рабочего расстояния объективы или при внутренней фокусировке соответствующие части объектива перемещаются по оси настолько, что фокусы системы на стороне объекта находятся в плоскости объекта. Одновременно согласно изобретению может производиться управляемое по кривой боковое перемещение таким образом, что фокусные расстояния обоих объективов находятся точно вдоль плоскости симметрии оптического устройства. В данном случае для компенсации параллакса не требуется ни изменение угла, ни изменение расстояния относительно оптических осей окуляров.

Кроме того, одновременно вследствие опрокидывания объектива или его частей необходима корректировка ошибок изображения, образующихся вследствие их бокового смещения (например, астигматизм, наклон плоскости изображения). Вышеуказанные перемещения объективов и соответственно частей объективов могут быть вызваны также электрическими или пневматическими линейными приводами исполнительных элементов.

Зависимости между

а) наводкой системы линз посредством изменения фокусного расстояния и

б) изменением коэффициента увеличения системы линз можно пояснить следующим образом.

Для того, чтобы при заданном расстоянии между системой линз и предметом поля зрения получить четкое изображение, фокусное расстояние системы линз должно быть изменено, например, с помощью автофокусирующего устройства. Такая "наводка на резкость" дает четкое изображение, размеры которого зависят исключительно от расстояния между системой линз и предметом/полем зрения. Размеры наведенного на резкость изображения предмета/поля зрения можно изменить только тогда, когда изменено расстояние между предметом/полем зрения и системой линз (большее расстояние: меньшее изображение - меньшее расстояние: большее изображение). Изменение фокусного расстояния системы линз устройством с переменным фокусным расстоянием приводит к увеличению или уменьшению изображения предмета/поля зрения без изменения расстояния между системой линз и предметом/полем зрения, то есть только путем изменения фокусного расстояния с помощью устройства с переменным фокусным расстоянием. Поэтому как "наводка на резкость" системы линз посредством автоматического фокусирующего устройства, так и регулировка устройства с переменным фокусным расстоянием вызывают изменение фокусного расстояния. Несмотря на это автоматическое фокусирующее устройство и устройство с переменным фокусным расстоянием не являются одним и тем же устройством.

Этот принцип для объективов камер позволяет сделать вывод: автоматическая фокусирующая камера без функции изменения фокусного расстояния может дать изображение определенного дерева с хорошей резкостью фокусирования больше или меньше, правда, только тогда, когда камера находится то ближе, а затем дальше от дерева. В обоих случаях она фотографирует изображения с разным фокусным расстоянием. А камера с объективом с переменным фокусным расстоянием может дать изображение дерева с одной точки съемки больше, а затем меньше и она делает это с разными фокусными расстояниями, но она имеет также устройство с переменным фокусным расстоянием. Так как устройство с переменным фокусным расстоянием требует дополнительную группу линз с установочными приспособлениями в системе линз, то это объясняет существенно более высокую цену, разную (меньшую) светосилу и в большинстве случаев большие габариты таких систем линз.

Другие подробности, признаки и преимущества изобретения вытекают из нижеследующего описания предпочтительных примеров выполнения оптического устройства (бинокулярной лупы) в соответствии с изобретением с помощью чертежей. Показано:

Фиг.1 - оптическое устройство;

Фиг.2 - оптическое устройство с осветительным устройством;

Фиг.3 - вариант выполнения, в котором расстояние между объективами можно изменять;

Фиг.4 - оптическое устройство с источником лазерного излучения;

Фиг.5, 6 - держатель на голове для оптического устройства;

Фиг.7, 7а, 7b - вариант выполнения с устройством перед датчиком для автоматического фокусирующего устройства,

Фиг 8 - вариант выполнения, в котором обе системы линз размещены в общем тубусе.

Фиг.9 - в схематическом изображении вариант выполнения оптического устройства с устройством предотвращения попадания постороннего (инфракрасного) света в приемную часть инфракрасного автоматического фокусирующего устройства,

Фиг.10 - в изображении подобно фигуре 9 другой вариант выполнения устройства для предотвращения ввода постороннего (инфракрасного) света в приемную часть инфракрасного автоматического фокусирующего устройства,

Фиг.11 - схематически в виде принципиального эскиза устройства прозрачного дисплея в ходе лучей оптического устройства.

Фиг.1 показывает оптическое устройство ("бинокулярную лупу"), состоящее из двух тубусов 1, частей окуляра 2, автоматического фокусирующего устройства 4, установленного в настоящем примере выполнения в середине, с инфракрасным диодом 5 и приемным блоком 6. Тубусы 1 могут быть соединены между собой неподвижно или, как показано на фиг.1, регулируемыми по длине перемычками 17. Внешний выключатель 3 и внешний электронный блок 7 могут быть соединены с оптическим устройством кабелем или, как в настоящем примере выполнения, без кабеля, например, радиопередатчиком 8 и радиоприемником 9 или другим способом.

Кроме того, фиг.1 в данном примере выполнения показывает две изогнутые пластины в качестве направляющих 12, размещенные в тубусах 1 и на которых оптические элементы 11 серводвигателями 10 могут перемещаться в обоих направлениях таким образом, что преломляющее свойство их соответствующего положения создает угол 13, необходимый при каждом выбранном рабочем расстоянии А, между выходящими из тубусов 1 ходами 14 лучей. Оптические элементы 11 могут быть при соответствующей форме размещены в тубусах 1 или помещены перед ними. Оптические элементы 11 могут также перемещаться на прямых или изогнутых пластинах. Оптические элементы 11 могут быть установлены только с возможностью вращения или наклона. Основа для измерения положения оптических элементов 11 снабжает автоматическое фокусирующее устройство 4. Расчет положения оптических элементов 11, необходимого для компенсации параллакса, осуществляется электронным блоком 7. Электронный блок 7 вычисляет также для каждого рабочего расстояния А оптимальное положение системы линз фокусирующего блока 14. К этому положению приводят также серводвигатели 10.

Далее фиг.1 показывает систему линз 15, с помощью которой после включения внешним выключателем 3 или звуковым устройством можно плавно изменить коэффициент увеличения ("Zoom") оптического устройства.

С помощью внешнего выключателя 3 или звукового устройства можно привести в действие также все другие функции оптического устройства, остановить их или изменить.

В находящуюся внутри обоих тубусах 1 оптическую плоскость 16 при необходимости можно вывести дополнительную информацию, например, жизненные показания пациента, данные компьютерной томографии или рентгеновские данные или изображения, измерительные шкалы и т.п. Альтернативно или в дополнение к этому можно также установить рядом с окуляром 2 или рядом с обоими окулярами 2 дисплей 18, на который можно вывести такую дополнительную информацию. Высвечивание информации можно производить стереоскопически, то есть корректированными относительно параллакса и/или расстояния между центрами зрачков отдельными изображениями и фиксировать их как целые или частичные изображения ("freeze-frame").

Отображение дополнительной информации в виде изображений можно осуществлять точно по месту во взаимосвязи с наблюдаемым объектом. Это можно осуществлять путем применения оптических, электромагнитных или других систем позиционирования совместно с инерционными датчиками. Подобная система может применяться также для того, чтобы определять положение объектов, например, хирургических инструментов относительно пациента и отображать через оптическую плоскость в ходе лучей оптического устройства или через установленный снаружи дисплей.

Подобные инерционные датчики, линейные или угловые кодирующие устройства или также ультразвуковые, инфракрасные или другие системы можно применять также для того, чтобы регистрировать текущие параметры оптического устройства, например, диапазона увеличения, расстояния до наблюдаемого объекта и т.д. и использовать их для преобразования генерированной компьютером или оптической дополнительной информации и/или ее визуализировать.

Оптическое устройство в соответствии с изобретением может быть также снабжено устройством высвечивания рабочей зоны. При этом необходимый для этого свет можно подавать с помощью волоконной оптики от внешнего источника света через держатель на голове вперед вблизи плоскости объектива оптического устройства. На конце световода можно установить систему линз, которая объединяет выбранное рабочее расстояние и коэффициент увеличения так, что рабочее поле освещается оптимально по размеру и интенсивности. Необходимые для этого данные измерений могут быть связаны с внутренними и внешними датчиками. Альтернативно или дополнительно к этому свет может быть введен также в оптическую систему тубуса 1 или обоих тубусов 1 так, что внутри оптической системы он направляется соосно оптическому ходу 14 лучей к объекту. Тем самым устраняется параллактический угол между оптическим ходом 14 лучей и освещением рабочей зоны.

Вышеописанное согласование интенсивности света и размеров освещенной площади для согласования с выбранным увеличением и соответствующим рабочим расстоянием можно осуществлять внутри оптической системы оптического устройства.

Фиг.2 схематически показывает ввод света для коаксиального освещения поля зрения. При этом свет проходит от внешнего источника света 19 через волоконно-оптический световод 20 в оптические элементы 21. Данные оптические элементы 21 вызывают коаксиальное выравнивание луча 23 света. С помощью серводвигателей 10, соединенных без кабелей или, как в настоящем примере применения, с помощью кабеля 24 с внешним электронным устройством 7 с целью передачи установочных данных, обеспечивается посредством системы линз 22 оптимальное по интенсивности и величине освещение для каждого рабочего расстояния.

Зачастую, например, в микрохирургии, желательно приспособление трехмерного эффекта к соответствующему применению или к структуре поверхности рассматриваемого участка объекта. Оптическое устройство в соответствии с изобретением решает эту проблему с помощью устройства, которым можно изменять расстояние между объективами оптического устройства при остающемся прежним расстоянии между окулярами 2. Фиг.3 схематически показывает вариант выполнения оптического устройства в соответствии с изобретением с устройством 25 для изменения расстояния между тубусами 1, соединенными между собой изменяемыми по длине перемычками 17, при остающемся прежнем расстоянии 26 между окулярами и тем самым возникающего для пользователя трехмерного эффекта. Это устройство 25 в данном примере выполнения выполнено как узел, на котором можно передвигать окуляры 2 с целью удержания постоянным расстояния 26 между ними при изменяющемся расстоянии 27 между тубусами 1, без потери изображения участка объекта. Данный эффект можно получить также с помощью перемещаемых оптических узлов перед объективами внутри тубусов 1.

Для изменения диапазона увеличения оптического устройства можно в дополнение к оптическим системам применять в тубусах 1 или альтернативно к ним сменные объективы и/или сменные окуляры.

В медицинской диагностике применяется способ, называемый фотодинамическим диагнозом. При этом применяют фоточувствительное вещество, которое в определенных, например, больных частях ткани, концентрируется и после этого посредством облучения светом с определенной длиной волн - по причине глубины проникновения около 5 мм обычно используется лазерное излучение - становится видимым. Другая возможность заключается в том, чтобы использовать разные свойства самофлуоресценции здоровых и больных частей ткани под светом с определенной длиной волн для того, чтобы сделать видимыми карциному или предраковые части ткани. В настоящее время известно множество систем, которые решают такие задачи в большинстве случаев с применением эндоскопа или операционного микроскопа. Хотя применение этой технологии, например, при открытом хирургическом вмешательстве было бы предпочтительно, до настоящего времени не существуют носимые на голове оптические устройства, которые позволяли бы их применение при таком диагнозе. Оптическое устройство в соответствии с изобретением может быть выполнено в варианте выполнения таким образом, что в ходе лучей оптической системы можно установить фильтры, которые позволяют воспринимать или облегчать восприятие определенных свойств отражения, возникающих посредством облучения светом определенной длины волны, рассматриваемого участка объекта. Для тех случаев, в которых разность в отражениях рассмотренного поля объекта, например, самофлуоресценция мест ткани, не распознается чисто визуально, пример выполнения оптического устройства может быть снабжен внутренним и/или наружным рецептором, например, чипом-камерой, который принимает от источника света непосредственно или через наружную или внутреннюю соосную оптическую систему направленный на наблюдаемый объект и отраженный от него свет, анализирует с помощью внутренних или внешних программных средств и при этом присваивает здоровым и подозрительным частям ткани разные цвета. Затем эти цвета могут быть совмещены с помощью зеркала в тубусе 1 или в обоих тубусах 1 оптической системы и наблюдаться в ней пользователем. Цвета могут также воспроизводиться наружными дисплеями или мониторами, при необходимости с совмещением с помощью зеркала с маркой, указывающей положение и размеры луча света на объекте. Это может привести, например, при открытом хирургическом удалении опухоли к улучшению радикального удаления или раннего распознавания карцином.

Фиг.4 схематически показывает оптическое устройство, состоящее из тубусов 1, окуляров 2, изменяющихся по длине соединительных перемычек 17, в оптических системах которых установлено по два фильтра 28. Фильтры 28 можно передвигать вручную или посредством двигателя, например, путем бокового перемещения на пластине в свое действующее положение и из этого положения.

Кроме того, на фиг.4 источник 29 лазерного излучения со световодом 20, который освещает в данном примере выполнения поле зрения 30 из положения между тубусами 1 оптического устройства и проникает под поверхность поля зрения 30. Свет 31, отраженный от (поверхностной) карциномы 32, имеет другие свойства по сравнению со светом 33, отраженным от здоровой ткани. Эти различия ни частичным отведением света, ни анализом, а также ни кодированием цвета и обратным совмещением изображения с помощью зеркала или, как изображено на фиг.4, ни выдвинутыми в свое действующее положение фильтрами 28 не делаются видимыми.

В известных носимых на голове оптических устройствах до настоящего времени не решена проблема момента наклона, производимого весом оптического устройства и его необходимым расстоянием от глаз пользователя. Оптическое устройство в соответствии с изобретением в одном из вариантов выполнения (фиг.5 и 6) решает эту проблему посредством установки изогнутой растягиваемой распорки 35, проходящей по продольной оси от задней части к передней части держателя 34 на голове, и/или груза 36, расположенного на задней части держателя 34 на голове. Тем самым достигается смещение центра тяжести от чувствительных участков лба и носа пользователя к центру головы и тем самым к желательной с точки зрения эргономии продольной оси корпуса.

Фиг.5 показывает держатель 34 на голове с распоркой 35 и противовесом 36.

Фиг.6 показывает схематическую вертикальную проекцию держателя 34 на голове. В данном случае видно, каким образом компенсируется опрокидывающий момент 38, вызванный весом оптического устройства 37 и расстоянием от глаз пользователя, посредством противовеса 36 с растягиваемой распоркой 35, переставляемой по своей длине регулирующим устройством 41. Таким образом вес может перемещаться вдоль силовых линий 39 к продольной оси 40 пользователя к середине его головы.

В частности, при больших увеличениях в находящихся на голове оптических устройствах до настоящего времени возникала проблема "дрожания" и "смазывания". Оптическое устройство в соответствии с изобретением решает эту проблему в предпочтительном примере выполнения путем активного и/или пассивного гашения вибраций.

Может случиться, что пользователь оптического устройства при наблюдении объекта захочет четко видеть не охваченный посередине автоматическим фокусом участок, а другой, например, находящийся на краю изображения участок. Оптическое устройство в соответствии с изобретением может быть поэтому снабжен устройством для поиска положения зрачков пользователя, соединенным со множественными участками автоматического фокуса, а также с соответствующим блоком управления.

Бывают ситуации, когда для пользователя носимого на голове оптического устройства было бы желательно управлять функциями оптического устройства и/или внешних устройств, не прикасаясь к переключателю. Применяемое для этого голосовое управление применимо не при всех условиях. По этой причине на важных участках держателя на голове оптического устройства в соответствии с изобретением устанавливаются электроды, которые принимают мозговые токи пользователя и используют для управления описанными функциями оптического устройства и/или для реконструкции воспринимаемых пользователем изображений.

Кроме того, на важных участках держателя на голове могут устанавливаться датчики обратной биосвязи, которые могут определять нахождение пользователя. Полученная отсюда информация может использоваться затем самым различным образом, например, для предупреждения хирурга при очень большом стрессе или изнеможении и усталости.

В показанном на фиг.7, фиг.7а и фиг.7b варианте выполнения в выполненном в качестве инфракрасной (ИК) системы автофокусирующем устройстве 4 на его приемном блоке 6 предусмотрено устройство, которое препятствует тому, чтобы отраженное не от поля 30 объекта и не происходящее из автофокусирующего устройства 4 или принадлежащее ему инфракрасное излучение 43, 44 попадало в приемный блок 6 с автофокусом. Такие не относящиеся к автоматическому фокусирующему устройству 4 отраженные инфракрасные лучи 48 могут происходить от пассивных инфракрасных, следящих за изображением или навигационных систем 42.

Благодаря устройству, выполненному, например, в виде фильтра, в частности, поляризационного фильтра 45 (фиг.7), в виде направленного на поле объекта тубуса 47 (фиг.7b) или в виде направленной под углом или прямо пластинчатой или решетчатой насадки 46 (фиг.7а), предотвращается нежелательное влияние на автоматическую фокусирующую систему 4.

В показанном на фиг.8 варианте выполнения оптического устройства в соответствии с изобретением обе системы 51, 52 линз, то есть правая и левая системы линз, размещены в общем тубусе 50 (монотубусе). Системы 51, 52 линз, которые размещены в общем тубусе 50, защищены, например, крышками 53 на одном или обоих концах тубуса 50 от проникновения, загрязнений и падения постороннего и рассеянного света. Таким образом, возможна работа с оптическим устройством, на которую не влияет отрицательно посторонний и рассеянный свет.

Общий тубус 50, как он примерно показан в варианте выполнения на фиг.8, предоставляет то преимущество, что оптическое устройство обходится без расположенных снаружи и подвижных деталей. Это имеет, между прочим, преимущество лучшей стабильности, нечувствительности оптического устройства к удару, растягивающему усилию и кручениям. Кроме того, оптическое устройство в варианте выполнения на фиг.8 может быть выполнено уплотненным от проникновения брызг воды так, что создается защита от воды и открывается возможность разместить оптическое устройство в соответствии с изобретением в дезинфекционный раствор. Наконец, отсутствует опасность того, что из оптического устройства в соответствии с изобретением могут выпасть детали на операционное поле.

Как в других вариантах выполнения оптического устройства в соответствии с изобретением, компенсация параллактического угла при изменении фокусного расстояния осуществляется оптическими элементами 11 внутри общего тубуса 50, как это описано в связи с другими вариантами выполнения (в частности, фиг.1).

В частности, при операциях, например, операциях на головном мозге человека, при которых хирург может наблюдать операционное поле не непосредственно, а только с помощью вспомогательных средств, применяются устройства с инфракрасным управлением с целью слежения за положением инструментов относительно пациента и вывода на монитор. Такие устройства (инфракрасные следящие устройства) очень хорошо показали себя. Когда оптическое устройство в соответствии с изобретением применяется одновременно с таким инфракрасным следящим устройством, то имеется опасность того, что выходящее из инфракрасного следящего устройства инфракрасное излучение окажет отрицательное воздействие на автоматическое фокусирующее устройство с инфракрасным управлением. Во избежание этого в оптическом устройстве в соответствии с изобретением автоматическое фокусирующее устройство может иметь детали, которые предотвращают падение постороннего или рассеянного света, в частности, света от инфракрасных следящих устройств 60. В принципе это пояснено выше на примере фиг.7, 7а и 7b. Также при применении оптического устройства в соответствии с изобретением в области промышленности доля инфракрасного излучения в дневном свете может быть также мешающей. Для того, чтобы мешающим инфракрасным излучением не оказывать отрицательное воздействие на автоматическое фокусирующее устройство 4 оптического устройства в соответствии с изобретением, в варианте выполнения изобретения согласно оптическому устройству приняты меры, предотвращающие падение мешающего инфракрасного излучения, которое может происходить от инфракрасных следящих устройств 6 и/или дневного света.

Вариант выполнения такого устройства показан на фиг.9. Оно состоит из нескольких параллельных друг другу пластин, выступающих за входное отверстие 63 приемника инфракрасного излучения автоматического фокусирующего устройства 4 так, что приемник инфракрасного излучения 6 автоматического фокусирующего устройства 4 оптического устройства в соответствии с изобретением не может принимать косо падающее инфракрасное излучение 61, так как ему мешают установленные перед приемником 6 пластины 62 на входе приемника 6. Инфракрасные лучи, направленные исключительно параллельно направлению зрения на приемник инфракрасного излучения, могут попасть в приемник 6.

Для предотвращения того, чтобы, например, применяемое при использовании инфракрасного следящего устройства в хирургических навигационных системах инфракрасное излучение, которое само по себе предназначено для определения положения хирургических инструментов, попадало в приемный блок 6 автоматического фокусирующего устройства 4 оптического устройства в соответствии с изобретением и тем самым во избежание вызываемых инфракрасным рассеянным излучением нарушений процесса фокусировки, можно также применять показанный на фиг.10 вариант выполнения. В данном варианте выполнения перед приемником 6 автоматического фокусирующего устройства установлена трубчатая диафрагма 65, подобная солнечной бленде, применяемой перед объективами фотоаппарата. Фиг.10 показывает, что инфракрасное излучение 61, выходящее из инфракрасного следящего устройства 60, не может попасть в приемник 6 автоматического фокусирующего устройства 4. В приемник 6 может попасть только инфракрасное излучение 66, переданное от инфракрасного устройства 5, принадлежащего автоматическому фокусирующему устройству 4 оптического устройства в соответствии с изобретением, и отраженное от плоскости 30 объекта (поле объекта). Инфракрасное излучение 61, выходящее из инфракрасного следящего устройства 60, которое обычно устанавливается над головой, не может поступить во входное отверстие 63 инфракрасного приемного блока 6 автоматического фокусирующего устройства оптического устройства согласно изобретению. Тубус 65, направленный в сторону поля объекта перед приемным блоком 6 автоматического фокусирующего устройства 4, может с целью усиления эффекта иметь внутри слой светопоглощающего материала или быть выполненным из такого материала.

Альтернативно показанным на фиг.9 и 10 вариантам выполнения имеется также возможность предотвратить падение постороннего излучения (падение инфракрасного излучения) с помощью различных (поляризационных) фильтров.

Для включения данных и другой информации в поле зрения оптического устройства в соответствии с изобретением предоставлены различные возможности. Недостатки известных вариантов включения данных и другой информации в поле зрения оптического устройства в соответствии с изобретением заключаются в том, что включенные данные или другая информация (компьютерная томография и изображения магнитного резонанса) могут быть получены недостаточно яркими и контрастными для обеспечения пользователю оптического устройства согласно изобретению удобной работы.

На фиг.11 схематически показан вариант выполнения оптического устройства, с помощью которого можно без проблем отображать данные и другую информацию в поле зрения оптического устройства в соответствии с изобретением. В показанном на фиг.11 варианте выполнения в ходе лучей между объективом 70 и окуляром 71 оптического устройства в соответствии с изобретением, предпочтительно между телекомпрессором 72 и телеконвертором 73 расположен прозрачный дисплей 74. Этот прозрачный дисплей 74 показывает инвертированное изображение главного дисплея 75, если между телеконвертором и окуляром не предусмотрен светоделитель 80 ("beam splitter"). В качестве светоделителя 80 в данной связи понимается оптическое устройство, которое частично отражает световые лучи, то есть отклоняет, например, на 90°, и частично пропускает лучи света. Таким светоделителем 80 может быть порропризма или частично пропускающее свет зеркало. Этим достигается, что на месте, на котором данные и другая информация должны высвечиваться в поле зрения оптического устройства в соответствии с изобретением, генерированное оптическим устройством изображение выделяется. Благодаря этому графика (высвеченные данные и другая информация) становится ярче и контрастнее, так как они не накладываются на изображение. В показанном на фиг.11 варианте выполнения главный дисплей 75 принимает информацию от внешних источников, например, приборов изображения магнитного резонанса или приборов компьютерной томографии, цифровых рентгеновских аппаратов и т.д. и отражает ее проекционной оптикой и светоделителем 80 в ходе лучей оптического устройства в соответствии с изобретением.

В показанном на фиг.11 варианте выполнения существенно то, что изображение объекта в том месте, где отображается информация главного дисплея 75, так перекрыто светом, затемняется или ослабляется, так что данные и другая информация на главном дисплее 75 отображаются лучше.

В заключение можно описать предпочтительный вариант выполнения изобретения следующим образом.

Оптическое устройство в виде бинокулярной лупы содержит две системы линз, содержащие каждая, по меньшей мере, объектив 70 и окуляр 71. Системам линз придано автоматическое фокусирующее устройство, которое изменяет фокусное расстояние систем линз для их наводки на резкость в соответствии с расстоянием бинокулярной лупы от объекта. Кроме того, системы линз имеют устройство для изменения коэффициента увеличения путем изменения фокусного расстояния систем линз ("Zoom" - переменное фокусное расстояние) и, наконец, устройство для компенсации параллакса между системами линз оптического устройства относительно фокусного расстояния, установленного в соответствии с расстоянием бинокулярной лупы от объекта. Согласование параллакса производится с помощью предусмотренных в ходе лучей систем линз, регулируемых оптических элементов 11, с помощью которых можно изменить угол 13 между ходами 14 лучей, проходящими из систем 1 линз к объекту.